TWI626825B - 電動機的速度控制裝置 - Google Patents

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TWI626825B TW105115154A TW105115154A TWI626825B TW I626825 B TWI626825 B TW I626825B TW 105115154 A TW105115154 A TW 105115154A TW 105115154 A TW105115154 A TW 105115154A TW I626825 B TWI626825 B TW I626825B
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Abstract

本發明的目的在於提供能夠將補償給電動機的補償轉矩的變動予以抑制之電動機的速度控制裝置。
本發明的電動機的速度控制裝置係具備：速度控制器，係根據電動機的旋轉速度的指令值與前述電動機的旋轉速度的響應值，輸出電動機的轉矩基準值；及干擾觀測器，係根據作用於前述電動機的負載轉矩的推定值，以比前述速度控制器輸出的電動機的轉矩基準值的輸出週期還長的週期，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償。

Description

電動機的速度控制裝置
本發明係有關電動機的速度控制裝置。
下述之專利文獻1係揭示電動機的速度控制裝置。該速度控制裝置係使用干擾觀測器(disturbance observer)算出作用於電動機的扭轉轉矩(torque)的推定值。該速度控制裝置係使用根據扭轉轉矩的推定值而得的補償轉矩來進行對電動機的轉矩基準值之前饋(feed forward)補償。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本國特開昭60-177906號公報
然而，在前述專利文獻1記載的速度控制裝置中，干擾觀測器係進行不完全微分。因此，補償給電動機的補償轉矩的變動受到電動機的旋轉速度的響應值所含雜訊(noise)的影響而劇烈。
本發明乃係為了解決上述課題而研創。本發明的目的在於提供能夠將補償給電動機的補償轉矩的變動予以抑制之電動機的速度控制裝置。
本發明的電動機的速度控制裝置係具備：速度控制器，係根據電動機的旋轉速度的指令值與前述電動機的旋轉速度的響應值，輸出電動機的轉矩基準值；及干擾觀測器，係根據作用於前述電動機的負載轉矩的推定值，以比前述速度控制器輸出的電動機的轉矩基準值的輸出週期還長的週期，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償。
本發明的電動機的速度控制裝置係具備：速度控制器，係根據電動機的旋轉速度的指令值與前述電動機的旋轉速度的響應值，輸出電動機的轉矩基準值；及干擾觀測器，係根據針對前述電動機的轉矩基準值與前述電動機的旋轉速度的響應值的複數個取樣(sampling)值的平均值，以與前述速度控制器輸出的電動機的轉矩基準值的輸出週期相同的週期，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償。
本發明的電動機的速度控制裝置係具備：速度控制器，係根據電動機的旋轉速度的指令值與前述電動機的旋轉速度的響應值，輸出電動機的轉矩基準值；及干擾觀測器，係將針對前述電動機的轉矩基準值與前述電動機的旋轉速度的響應值的複數個取樣值以最小平方法近 似出曲線或直線，根據從該曲線或直線獲得的值，以與前述速度控制器輸出的電動機的轉矩基準值的輸出週期相同的週期，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償。
依據上述該些發明，抑制電動機的旋轉速度的響應值所含雜訊的影響。因此，能夠將補償給電動機的補償轉矩的變動予以抑制。
1a‧‧‧上側工作輥
1b‧‧‧下側工作輥
2a‧‧‧上側支承輥
2b‧‧‧下側支承輥
3‧‧‧電動機
4‧‧‧轉矩傳遞機械
5‧‧‧聯結器
6‧‧‧小齒輪
7‧‧‧上側主軸
8‧‧‧下側主軸
9‧‧‧驅動裝置
10‧‧‧速度感測器
11‧‧‧速度控制裝置
12‧‧‧速度控制器
13‧‧‧干擾觀測器
14‧‧‧降低取樣頻率
15a‧‧‧處理器
15b‧‧‧記憶體
16‧‧‧硬體
gdis‧‧‧低通濾波器的截止頻率
J1‧‧‧慣量
Jm‧‧‧電動機的慣量
J'm‧‧‧額定慣量
JMill‧‧‧滾軋機的慣量
T‧‧‧速度控制器的取樣週期
T'‧‧‧干擾觀測器的取樣週期
TF‧‧‧負載轉矩
T' F‧‧‧補償轉矩
Tm‧‧‧電動機提供的轉矩
Troll‧‧‧來自滾軋材的負載轉矩
TR‧‧‧轉矩基準值
s‧‧‧拉普拉斯運算子
ωm cmd‧‧‧電動機的旋轉速度的指令值
ωm res‧‧‧電動機的旋轉速度的響應值
ωroll res‧‧‧上側工作輥的旋轉速度的響應值
第1圖係使用本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置之滾軋機的構成圖。
第2圖係說明使用本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置之電動機的軸扭轉振動之用的立體圖。
第3圖係以拉普拉斯(Laplace)運算子表現使用本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置之電動機的軸扭轉振動之圖。
第4圖係說明以本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置進行的速度控制之用的方塊圖。
第5圖係說明以本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的模擬(simulation)結果之用的圖。
第6圖係說明以本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的模擬結果之用的圖。
第7圖係本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置 的硬體(hardware)構成圖。
第8圖係說明以本發明實施形態2的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的模擬結果之用的圖。
第9圖係說明以本發明實施形態3的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的主要部分之用的方塊圖。
第10圖係說明以本發明實施形態3的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的模擬結果之用的圖。
針對本發明的實施形態，按照添附圖式進行說明。另外，在各圖中，相同或相當的部分係標註相同的元件符號。該部分的重複說明係適當予以簡化或省略。
實施形態1.
第1圖係使用本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置之滾軋機的構成圖。
如第1圖所示，滾軋機係具備上側工作輥(work roll)1a與下側工作輥1b。上側工作輥1a與下側工作輥1b係排列於鉛直方向。上側工作輥1a與下側工作輥1b係夾住未圖示的金屬材料(滾軋材)。上側支承輥(backup roll)2a係設在上側工作輥1a上方。下側支承輥2b係設在下側工作輥1b下方。
電動機3係設在上側工作輥1a與下側工作輥1b的一側。轉矩傳遞機械4的輸入側係連接至電動機3的旋轉軸。轉矩傳遞機械4的輸出側係連接至上側工作輥1a與下側工作輥1b。例如，轉矩傳遞機械4係具備聯結器 (coupling)5、小齒輪(pinion gear)6、上側主軸(spindle)7、及下側主軸8。
驅動(drive)裝置9的輸出側係連接至電動機3的輸入側。速度感測器(sensor)10係設在驅動裝置9。速度控制裝置11的一輸入側係連接至未圖示的外部裝置的輸出側。速度控制裝置11的另一輸入側係連接至速度感測器10的輸出側。速度控制裝置11的輸出側係連接至驅動裝置9的輸入側。
速度感測器10係檢測電動機3的旋轉速度。速度感測器10係根據檢測結果，輸出響應值ωm res(rad/s)。
速度控制裝置11係從外部裝置接收電動機3的旋轉速度的指令值ωm cmd(rad/s)之輸入。速度控制裝置11係從速度感測器10接收電動機3的旋轉速度的響應值ωm res之輸入。
速度控制裝置11係根據指令值ωm cmd與響應值ωm res，輸出電動機3的轉矩基準值TR(N‧m)。驅動裝置9係根據轉矩基準值TR驅動電動機3。結果，電動機3係提供轉矩Tm(N‧m)給轉矩傳遞機械4。上側工作輥1a與下側工作輥1b係根據轉矩Tm而以大致相同的速度旋轉。結果，金屬材料係滾軋成所期望的厚度。此時，受到來自滾軋機的反作用，負載轉矩TF(N‧m)作用於電動機3。
接著，使用第2圖與第3圖，說明電動機的軸扭轉振動。
第2圖係說明使用本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置之電動機的軸扭轉振動之用的立體圖。第3圖係以拉普拉斯運算子表現使用電動機的速度控制裝置的電動機的軸扭轉振動之圖。
第2圖與第3圖係顯示將電動機3與滾軋機視為以扭轉彈簧連結的雙質點系統之模型(model)。在第2圖中，ωroll res(rad/s)為上側工作輥1a的旋轉速度的響應值。在第3圖中，Troll(N‧m)為來自滾軋材的負載轉矩。JMill(kg‧m2)為滾軋機的慣量。J1(kg‧m2)為慣量。s為拉普拉斯運算子。
在轉矩傳遞機械4(在第2圖與第3圖中並未圖示)中，各構成以具有扭轉彈性的軸而耦接。結果，轉矩傳遞機械4係成為多慣量共振系統。因此，無法使電動機3的旋轉速度與上側工作輥1a的旋轉速度始終一致。雖未圖示，但亦無法使電動機33的旋轉速度與下側工作輥1b的旋轉速度始終一致。
上側工作輥1a及下側工作輥1b係藉由電動機3的轉矩Tm而旋轉。此時，反作用的扭轉轉矩作為干擾作用於電動機3。此外，當提高電動機3的旋轉速度，對應該旋轉速度的頻率便會接近從電動機3到上側工作輥1a及下側工作輥1b為止的機械系統的共振頻率。此時，可能發生軸扭轉振動。
接著，使用第4圖說明以速度控制裝置11進行的速度控制。
第4圖係說明以本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置進行的速度控制之用的方塊圖。在第4圖中，gdis(rad/s)為低通濾波器(low-pass filter)的截止(cut-off)頻率。Jm(kg‧m2)為電動機3的慣量。J' m(kg‧m2)為額定(nominal)慣量。
如第4圖所示，速度控制裝置11係具備速度控制器12與干擾觀測器13。
速度控制器12係PI(proportional-integral；比例積分)控制器。速度控制器12的取樣週期T係例如為1ms。速度控制器12係根據電動機3的旋轉速度的指令值ωm cmd與電動機3的旋轉速度的響應值ωm res之偏差，輸出電動機3的轉矩基準值TR。
干擾觀測器13係不具有微分運算子。因此，干擾觀測器13係抑制電動機3的旋轉速度的響應值ωm res所含雜訊的放大。此外，干擾觀測器13係具備取樣疏化(decimation)的功能。具體而言，干擾觀測器13係具備以低通濾波器進行的過濾(filtering)的功能與降低取樣頻率(downsampling)14的功能。因此，干擾觀測器13的取樣週期T'係比速度控制器12的取樣週期T還長。干擾觀測器13的取樣週期T'係例如為10ms。
干擾觀測器13係按每一取樣週期T'算出作用於電動機3的負載轉矩的推定值。干擾觀測器13係根據作用於電動機3的負載轉矩的推定值，算出補償轉矩T' F(N‧m)。干擾觀測器13係藉由補償轉矩T' F進行以速度控 制器12進行的對電動機3的轉矩基準值TR之前饋補償。
接著，使用第5圖與第6圖說明以速度控制裝置11進行的速度控制的模擬結果。
第5圖與第6圖係說明以本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的模擬結果之用的圖。
第5圖左側係顯示在時刻0.1(s)以階段輸入200rpm作為電動機3的旋轉速度的指令值ωm cmd時的電動機3的旋轉速度的響應值ωm res與上側工作輥1a的響應值ωroll res之圖。此時的速度控制器12的取樣週期T為1ms。響應值ωm res係含有模擬雜訊的1000rad/s的正弦波。
第5圖右側乃係在第5圖左側的圖中以階段輸入電動機3的旋轉速度的指令值ωm cmd時的補償轉矩T' F。此時的干擾觀測器13的取樣週期T'為5ms。
第6圖左側係顯示在時刻0.1(s)以階段輸入200rpm作為電動機3的旋轉速度的指令值ωm cmd時的電動機3的旋轉速度的響應值ωm res與上側工作輥1a的響應值ωroll res之圖。此時的速度控制器12的取樣週期T為1ms。響應值ωm res係含有模擬雜訊的1000rad/s的正弦波。
第6圖右側乃係在第6圖左側的圖中以階段輸入電動機3的旋轉速度的指令值ωm cmd時的補償轉矩T' F。此時的干擾觀測器13的取樣週期T'為10ms。
如第5圖右側所示，由於干擾觀測器13的取樣週期T'長，抑制補償轉矩T' F的變動。此外，如第6圖右側所示，隨著干擾觀測器13的取樣週期T'增長，更 進一步抑制補償轉矩T' F的變動。
依據以上所說明的實施形態1，係以比速度控制器12輸出電動機3的轉矩基準值TR的輸出週期還長的週期，進行以速度控制器12進行的對電動機3的轉矩基準值TR之前饋補償。因此，將電動機3的旋轉速度的響應值ωm res所含雜訊的影響予以抑制。結果，能夠將補償給電動機3的補償轉矩T' F的變動予以抑制。
接著，使用第7圖，說明速度控制裝置11的例子。
第7圖係本發明實施形態1的電動機的速度控制裝置的硬體構成圖。
速度控制裝置11的各功能係能夠藉由處理電路實現。處理電路係例如具備至少一個處理器(processor)15a與至少一個記憶體(memory)15b。處理電路係例如具備至少一個專用的硬體16。
在處理電路具備至少一個處理器15a與至少一個記憶體15b的情形中，速度控制裝置11的各功能係藉由軟體(software)、韌體(firmware)、或軟體與韌體的組合來實現。軟體及韌體的至少一者係以程式(program)的形式記述。軟體及韌體的至少一者係儲存於所謂至少一個記憶體15b。所謂至少一個處理器15a係讀取記憶在所謂至少一個記憶體15b的程式予以執行，藉此實現速度控制裝置11的各功能。所謂至少一個處理器15a係亦稱為CPU(Central Processing Unit；中央處理器)、中央處理裝置、處 理裝置、運算裝置、微處理器(micro processor)、微電腦(micro computer)、DSP(Digital Signal Processor；數位信號處理器)。所謂至少一個記憶體15b係例如為RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體)、ROM(Read Only Memory；唯讀記憶體)、快閃記憶體(flash memory)、EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory；可抹除可程式化唯讀記憶體)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory；電子可抹除可程式化唯讀記憶體)等非揮發性或揮發性的半導體記憶體、磁碟、軟碟(flexible disk)、光碟、CD光碟(compact disc；CD)、迷你碟(MiniDisc)、DVD(Digital Versatile Disk；數位多功能光碟)等。
在處理電路具備至少一個專用的硬體16的情形中，處理電路係例如為單一電路、複合電路、經程式化的處理器、經平行程式化的處理器、ASIC(Application Specific Integrated Circuit；特定應用積體電路)、FPGA(Field Programmable Gate Array；可規劃邏輯閘陣列)、或組合上述元素而成的處理電路。速度控制裝置11的各功能係例如以處理電路分別實現。速度控制裝置11的各功能係例如以處理電路總括地實現。
針對速度控制裝置11的各功能，亦可將一部分以專用的硬體16來實現、其他部分以軟體或韌體來實現。例如，針對速度控制器12的功能係以專用的硬體16之形式的處理電路來實現，針對干擾觀測器13的功能係藉 由以所謂至少一個處理器15a讀取儲存在所謂至少一個記憶體15b的程式予以執行來實現。
如上述，處理電路係藉由硬體16、軟體、韌體、或該些元素的組合來實現速度控制裝置11的各功能。
實施形態2.
第8圖係說明以本發明實施形態2的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的模擬結果之用的圖。另外，與實施形態1中相同或相當的部分係標註相同的元件符號。該部分的說明係予以省略。
在實施形態1中，干擾觀測器13的取樣週期T'係設定為比速度控制器12的取樣週期T還長。相對於此，在實施形態2中，干擾觀測器13的取樣週期T'係設定為與速度控制器12的取樣週期T相同。
在實施形態2中，干擾觀測器13係使用包括現在(t=k)的過去複數次(N次)取樣值的平均值作為輸入值。例如，干擾觀測器13係使用下述式(1)之響應值ωm res作為輸入值。
干擾觀測器13係每N次的取樣，輸出補償轉矩T' F。
第8圖係以與實施形態1相同的條件進行的 模擬的結果。此時，N係設定為5。結果，補償轉矩T' F係每5ms輸出。相較於實施形態1，更能抑制補償轉矩T' F的變動的振幅。
依據以上所說明的實施形態2，係根據針對電動機3的轉矩基準值TR與電動機3的旋轉速度的響應值ωm res取樣得的複數個取樣值的平均值，進行以速度控制器12進行的對電動機3的轉矩基準值TR之前饋補償。因此，將電動機3的旋轉速度的響應值ωm res所含雜訊的影響更確實地予以抑制。結果，能夠將補償給電動機3的補償轉矩T' F的變動更確實地予以抑制。
實施形態3.
第9圖係說明以本發明實施形態3的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的主要部分之用的方塊圖。另外，與實施形態1相同或相當的部分係標註相同的元件符號。該部分的說明係予以省略。
在實施形態1中，干擾觀測器13的取樣週期T'係設定為比速度控制器12的取樣週期T長。相對於此，在實施形態3中，干擾觀測器13的取樣週期T'係設定為與速度控制器12的取樣週期T相同。
在實施形態3中，干擾觀測器13係使用包括現在(t=k)的過去複數次(N次)取樣值的平均值作為輸入值。例如，干擾觀測器13係使用下述式(2)之響應值ωm res作為輸入值。
[計算式2]
干擾觀測器13係每個取樣週期T'，輸出補償轉矩T' F。
接著，使用第10圖，說明以速度控制裝置11進行的速度控制的模擬結果。
第10圖係說明以本發明實施形態3的電動機的速度控制裝置進行的速度控制的模擬結果之用之圖。
第10圖係以與實施形態1相同的條件進行的模擬的結果。此時，N係設定為5。此時，補償轉矩T' F係同樣每1ms輸出。相較於實施形態1，較抑制補償轉矩T' F的變動的振幅。
依據以上所說明的實施形態3，係根據針對電動機3的轉矩基準值TR與電動機3的旋轉速度的響應值ωm res取樣得的複數個取樣值的平均值，以與速度控制器12輸出的電動機3的轉矩基準值TR的輸出週期相同的週期，進行以速度控制器12進行的對電動機3的轉矩基準值TR之前饋補償。因此，將電動機3的旋轉速度的響應值ωm res所含雜訊的影響予以抑制。結果，能夠將補償給電動機3的補償轉矩T' F的變動予以抑制。
另外，亦可為，將干擾觀測器13的取樣週期T'設定為與速度控制器12的取樣週期T相同，將複數個取樣值以最小平方法近似出曲線或直線，根據從該曲線或直線獲得的值，算出補償轉矩T' F。例如，亦可為如下述 式(3)所示，從數次(N次)取樣值求出使最小平方誤差的總和成為最小的曲線或直線，從該曲線或直線取得響應值ωm res的輸入值。
此時，同樣將電動機3的旋轉速度的響應值ωm res所含雜訊的影響予以抑制。結果，能夠將補償給電動機3的補償轉矩T' F的變動予以抑制。
此外，亦可為，將干擾觀測器13的取樣週期T'的初始值設定為與速度控制器12的取樣週期T相同，在運轉開始後相應於包括補償轉矩T' F的轉矩的變動，即時(real time)令干擾觀測器13的取樣週期T'變化。例如，亦可為，相應於轉矩的變動，令干擾觀測器13的取樣週期T'變化為速度控制器12的取樣週期T的整數倍(2倍、3倍、……、N倍)。
此時，同樣將電動機3的旋轉速度的響應值ωm res所含雜訊的影響予以抑制。結果，能夠將補償給電動機3的補償轉矩T' F的變動予以抑制。
(產業上的利用可能性)
如上所述，本發明的電動機的速度控制裝置係能夠利用於將補償給電動機的補償轉矩的變動予以抑制之系統(system)。

Claims (4)

  1. 一種電動機的速度控制裝置，係具備：速度控制器，係根據電動機的旋轉速度的指令值與前述電動機的旋轉速度的響應值，輸出電動機的轉矩基準值；及干擾觀測器，係根據作用於前述電動機的負載轉矩的推定值，以比前述速度控制器輸出的電動機的轉矩基準值的輸出週期還長的週期，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償；前述干擾觀測器係相應於前述電動機的轉矩的變動，令以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償的週期變化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電動機的速度控制裝置，其中，前述干擾觀測器係根據針對前述電動機的轉矩基準值與前述電動機的旋轉速度的響應值的複數個取樣值的平均值，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償。
  3. 一種電動機的速度控制裝置，係具備：速度控制器，係根據電動機的旋轉速度的指令值與前述電動機的旋轉速度的響應值，輸出電動機的轉矩基準值；及干擾觀測器，係根據針對前述電動機的轉矩基準值與前述電動機的旋轉速度的響應值的複數個取樣值的平均值，以與前述速度控制器輸出的電動機的轉矩基準值的輸出週期相同的週期，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償；前述干擾觀測器係相應於前述電動機的轉矩的變動，令以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償的週期變化。
  4. 一種電動機的速度控制裝置，係具備：速度控制器，係根據電動機的旋轉速度的指令值與前述電動機的旋轉速度的響應值，輸出電動機的轉矩基準值；及干擾觀測器，係將針對前述電動機的轉矩基準值與前述電動機的旋轉速度的響應值的複數個取樣值以最小平方法近似出曲線或直線，根據從該曲線或直線獲得的值，以與前述速度控制器輸出的電動機的轉矩基準值的輸出週期相同的週期，進行以前述速度控制器進行的對電動機的轉矩基準值之前饋補償。
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